Cervello: come cambia grazie all’epigenetica

Un particolare tipo di regolazione epigenetica, la metilazione del DNA, in cellule del sistema nervoso centrale emerge durante l’infanzia e l’adolescenza ed è conservato nell’età adulta. Lo ha dimostrato una ricerca che fa luce sui meccanismi neurobiologici alla base della plasticità cerebrale in funzione dell’esperienza. Si tratta di un risultato importante non solo per comprendere meglio in che modo matura il cervello dall’infanzia fino al termine dell’adolescenza e perché si sviluppano patologie psichiatriche, come la schizofrenia, o i disturbi della funzione cerebrale come l’autismo.
L’esperienza dalla nascita all’adolescenza, è in grado di plasmare in modo sostanziale conoscenze e comportamento dell’individuo. Ma qual è il substrato neurobiologico di questo cambiamento? Una nuova ricerca pubblicata su “Science” a firma di Ryan Lister, del Salk Institute di La Jolla, in California, e colleghi di un’ampia collaborazione internazionale, ha dimostrato che la risposta va cercata nell’epigenoma, cioè nell’insieme dei meccanismi di regolazione dell’espressione dei geni.

Lo studio, il primo che ha considerato questi meccanismi sull’intero genoma di topi e di esseri umani dalla prima infanzia fino all’età adulta, dimostra che un particolare tipo di metilazione, uno dei processi chimici cruciali per la regolazione genica, riguarda in modo specifico i neuroni e viene progressivamente incrementato fino al termine dell’adolescenza, quando la maturazione del sistema nervoso è compiuta.

Il risultato ha un’enorme importanza per chiarire meglio alcuni aspetti di quella capacità di cambiamento del sistema nervoso centrale che va sotto il nome di plasticità neurale. Questa capacità è alla base non solo dell’apprendimento attraverso l’esperienza, ma anche di patologie psichiatriche: recenti studi hanno ipotizzato un ruolo della metilazione nella schizofrenia, nel disturbo bipolare e nella depressione.

Negli ultimi decenni, le ricerche di genetica hanno mostrato quanto siano importanti per la vita di un organismo non solo i geni, in cui sono codificate le informazioni per la sintesi delle proteine, ma anche i meccanismi che regolano l’espressione dei geni, attivandoli o silenziandoli. Uno dei risultati cruciali in questo campo è che la metilazione del DNA avviene tipicamente nei cosiddetti siti CpG, in cui una citosina si trova immediatamente adiacente alla guanina (citosina e guanina sono due delle quattro basi azotate, insieme con adenina e timina, che costituiscono i mattoni elementari di cui sono costituite le molecole di DNA). Inoltre, è stato osservato che questo tipo di metilazione è estremamente diffusa nel genoma degli esseri umani adulti e riguarda addirittura l’80-90 per cento dei siti CpG.

Per questa, che sembrerebbe una regola, c’è tuttavia un’eccezione. Gli stessi ricercatori del Salk Institute, infatti, hanno scoperto in passato che le cose stanno molto diversamente nelle cellule staminali embrionali umane e nelle staminali pluripotenti indotte, in cui la metilazione del DNA si osserva solo nei siti in cui la G non segue la C. Sulle prime si era ipotizzato che questa metilazione “non-CG” dovesse scomparire una volta che le cellule staminali si fossero differenziate in linee cellulari specifiche.

Quest’ultimo studio ha dimostrato che questo non è vero per quanto riguarda il cervello, in cui la metilazione non-CG appare anche nelle cellule differenziate, e va via via accumulandosi durante l’infanzia e l’adolescenza, per rimanere conservate anche nelle età successive. Questo mostra che il processo di maturazione delle circuitazioni cerebrali, e in particolare la formazione di nuove sinapsi, che procede molto rapidamente, è accompagnato da un parallelo processo di riconfigurazione su larga scala dell’epigenoma. In particolare, questi processi riguardano la corteccia frontale, che ha un ruolo cruciale nei processi cognitivi, nei processi decisionali e nell’azione. Tenuto conto che i meccanismi epigenetici sono influenzati dall’interazione con l’ambiente, prende corpo l’ipotesi che proprio i processi di metilazione siano il tramite grazie al quale l’esperienza rimane fissata in modo permanente nel funzionamento del sistema nervoso, anche nei casi patologici.

“I risultati del nostro studio dimostrano che la metilazione del DNA ha un ruolo cruciale nel plasmare le sinapsi, gli spazi comunicativi tra i neuroni”, spiega Manel Esteller, direttore dell’Epigenetics and Cancer Biology Biomedical Research Institute (IDIBELL), ICREA di Barcellona, professore di genetica all’università della stessa città e cofirmatario dello studio.

Il cervello è diviso in materia bianca, la glia, e materia grigia, i neuroni, con diversi tipi cellulari, ognuno con una funzione specifica. Sia i neuroni sia la glia devono regolare attentamente l’espressione del loro codice genetico e questo è precisamente il ruolo della metilazione, riassume Esteller.

“Dal nostro studio risulta che anche nella materia grigia ci sono sottotipi cellulari come i neuroni piramidali e i produttori del neurotrasmettitore GABA che hanno specifici sottoschemi di metilazione del DNA”, aggiunge Esteller.

Questo secondo risultato indica che in qualche modo c’è una correlazione tra la funzione delle specifiche popolazioni cellulari del cervello e i corrispondenti schemi di metilazione, ed è proprio su questo aspetto che secondo gli autori andrebbero indirizzate le future ricerche.